有机薄膜光伏，尤其是基于非富勒烯体系的薄膜光伏，是化学与材料科学领域的热点研究方向。新材料的开发与器件的优化，不断推动器件性能的发展，迄今已实现超过17%的能量转化效率，接近应用水平。中国在此研究领域已经走在了世界的最前列，国内多个课题组在有机太阳能电池的研究中取得了快速发展。
全聚合物体系因其溶液黏度高，机械性能好，结晶性较小分子弱等特点非常适用于印刷器件的制备。目前大多数的研究采用旋涂方法制备活性层薄膜，该过程在物理本质上极大地区别于工业印刷，尤其是在形貌控制及其对应的光电转化过程中，造成薄膜形貌与器件性能在本质上的区别，因此很难将旋涂工艺转移到工业应用上。
基于此，上海交通大学刘烽教授团队选用了当前高效的全聚合物体系（PTzBI-Si:N2200），采用狭缝涂覆的制备方法，通过加工溶剂的选择及不同的后处理方式（热退火、溶剂退火）将共混膜形貌锁定在合适的动力学路径中，并最终实现了11.76%的能量转换效率，这是目前全聚合物太阳能电池体系报导的最高效率。
图1. 不同加工溶剂和后处理方式的活性层形貌图（AFM、SNOM、TEM）
研究发现，聚合物材料在2-甲基四氢呋喃（MTHF）溶剂中的堆积性相比于氯苯中更好，同时这种在溶液中的聚集状态在可以很好的转移到薄膜中，并诱导形成多尺度相分离形貌（图1），最终获得高效率器件。这当中的关键在于相分离和结晶之间的平衡。合适的加工溶剂可以有效调控聚合物在溶液中的聚集，印刷成膜后，聚集态作为种子诱导聚合物结晶，最终形成了结晶纤维网络，并浸没在非晶态中。这种形貌有效提高了激子分离并实现高的载流子传输，提高了器件的短路电流和填充因子。同时，这种多尺度的相分离形貌还具有很好的稳定性。利用掠入射广角X射线散射（GIWAXS），共振软X射线散射（R-SoXS），透射电子显微镜（TEM），扫描近场光学显微镜（SNOM）和原位GIWAXS/GISAXS等手段，对BHJ薄膜的形貌及其形成过程进行了表征，建立了结构-性能的对应关系（图2、图3），深入理解活性层形貌结构与器件性能的构效关系，最终构筑高效率印刷薄膜器件。
图2. 纯膜及共混膜在不同加工条件下的GIWAXS图和加工条件与晶体尺寸、相分离尺度及器件参数的对应关系
图3. BHJ成膜过程的原位GIXD分析和形貌形成过程示意图
上述成果发表在Advanced Materials上。论文的第一作者为上海交通大学化学化工学院博士后朱磊，通讯作者为刘烽教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.201902899
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